分享

能否通俗地解释什么是波函数?

 昵称11935121 2018-07-25

“波函数”,英文叫“wave function”。

要理解什么是波函数,首先要理解什么是波动现象。

波动现象是一种常见的物理现象,比如“水波”,比如琴弦上的“驻波”等等。

波动现象虽然常见,但并不好理解,因为它是一种“整体式”的运动,我们没法盯着一个点观察波动,我们必须“整体”地想,才能理解什么是波动。

这不是水波,这只是水波在时间中的一个“切片”。

但如果波动用数学函数来表示的话,又是很清晰的,首先我们考虑到底是什么物理量在涨落起伏,比如水波就是水面偏离平静状态时的位移q,同时由于波动是一种整体式的运动,不同地方(用不同x表示)对应的位移是不一样的,这意味着q是x的函数,类似的,位移在不同时间t也是不一样的,因此水波的波动就可以用函数q(x,t)来表示。

表示水波波动的函数q(x,t)就是一个波函数。

在物理里面常见的还有电磁波,电磁波中“波动变化”的物理量是“电场E”和“磁场B”,电磁波的波函数就是E(x,t)和B(x,t),电磁波比我们想象的要复杂的多,因为电场和磁场分别都是矢量(就是有方向的物理量),换句话说一个电磁波有六个分量(三个电分量和三个磁分量),不过好在只有三个分量是独立的,但即便如此也比水波的波函数要复杂,在那里波函数只有一个分量。

单看波动的一个分量的话,最简单的波函数是正弦或余弦波:

正弦或余弦函数可以看做是圆周运动向某一个方向的投影(正弦是向y轴投影,余弦是向x轴投影),影子落在哪里,取决于旋转箭头与x轴的夹角是多少,这个夹角就是相位φ:

假如有几个波动的话,这几个波动在相同位置会叠加起来,如果这几个波动(为了简单,你可以考虑两个)振荡的频率ω相同,它们将会发生干涉现象,简单说如果两个波动同步的话,一起达到最大,一起达到最小,波动叠加的效果就是波变强了,但如果两个波动正好“节奏相反”,一个达到最大,另一个达到最小,那么波动叠加的效果就是波变弱了,甚至会被完全抵消。

最后,在量子力学中我们也经常会提到波函数,在很多方面量子力学中的波函数和上述波函数是一样的,但有一条,量子力学中的波函数它并不直接对应物理量,比如波函数不是电子云,不直接对应电子的数密度。

但在量子力学中我们可能知道的所有知识都蕴含在波函数中,我们可以通过一些标准的步骤,把这些知识(比如物理量的取值)从波函数中提取出来。

这听起来还是有些神奇的(之所以觉得神奇,是因为我们兜了个圈子,不过这是理论物理的共同特征,比如在分析力学中我们研究的是拉格朗日量,在统计力学中我们研究的是配分函数,它们离我们的直觉都很远)。

波动是理解量子力学的基本图像,上图是用水波演示双缝干涉。

波函数是对波动这一物理图像的数学表示。鉴于在量子力学中波函数并不直接对应物理量,我们可以放心的让波函数取复数的形式。

最后,玻恩解释告诉我们波函数ψ(x,t)绝对值的平方对应粒子出现在相应位置x的概率。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多